摘要
本应用笔记描述了如何使用 RT-Thread 的串口设备，包括串口配置、设备操作接口的应用。并给出了在正点原子 STM32F4 探索者开发板上验证的代码示例。
串口（通用异步收发器，常写作 UART、uart）是最为广泛使用的通信接口之一。在裸机平台或者是没有设备管理框架的 RTOS 平台上，我们通常只需要根据官方手册编写串口硬件初始化代码即可。引入了带设备管理框架的实时操作系统 RT-Thread 后，串口的使用则与裸机或者其它 RTOS 有很大的不同之处。RT-Thread 中自带 I/O 设备管理层，将各种各样的硬件设备封装成具有统一接口的逻辑设备，方便管理及使用。本文说明了如何在 RT-Thread 中使用串口。
本文首先给出使用 RT-Thread 的设备操作接口开发串口收、发数据程序的示例代码，并在正点原子 STM32F4 探索者开发板上验证。接着分析了示例代码的实现，最后深入地描述了 RT-Thread 设备管理框架与串口的联系。
RT-Thread 提供了一套简单的 I/O 设备管理框架，它把 I/O 设备分成了三层进行处理：应用层、I/O 设备管理层、硬件驱动层。应用程序通过 RT-Thread 的设备操作接口获得正确的设备驱动，然后通过这个设备驱动与底层 I/O 硬件设备进行数据（或控制）交互。RT-Thread 提供给上层应用的是一个抽象的设备操作接口，给下层设备提供的是底层驱动框架。
那么用户如何使用设备操作接口开发出跨平台的串口应用代码呢？
本文基于正点原子 STM32F4 探索者开发板，给出了串口的配置流程和应用代码示例。由于 RT-Thread 设备操作接口的通用性，因此这些代码与硬件平台无关，读者可以直接将它用在自己使用的硬件平台上。正点原子 STM32F4 探索者开发板使用的是 STM32F407ZGT6，具有多路串口。我们使用串口 1 作为 shell 终端，串口 2 作为实验用串口，测试数据收发。终端软件使用 putty。板载串口 1 带有 USB 转串口芯片，因此使用 USB 线连接串口 1 和 PC 即可；串口 2 则需要使用 USB 转串口模块连接到 PC。
(1) 配置 shell 使用串口 1：RT-Thread Kernel —-> Kernel Device Object —-> 修改 the device name for console 为 uart1。
(2) 勾选 Using UART1、Using UART2，选择芯片型号为 STM32F407ZG，时钟源为外部 8MHz，如图所示：
本应用笔记示例代码 app_uart.c、app_uart.h，app_uart.c 中是串口相关操作的代码，方便阅读。app_uart.c 中提供了 4 个函数 uart_open、uart_putchar、uart_putstring、uart_getchar 以方便使用串口。app_uart.c 中的代码与硬件平台无关，读者可以把它直接添加到自己的工程。利用这几个函数在 main.c 中编写测试代码。main.c 源码如下：
#include"app_uart.h"
#include"board.h"
void test_thread_entry(void* parameter)
{
rt_uint8_t uart_rx_data;
/* 打开串口 */
if(uart_open("uart2")!= RT_EOK)
{
rt_kprintf("uart open error. ");
while(1)
{
rt_thread_delay(10);
}
}
/* 单个字符写 */
uart_putchar('2');
uart_putchar('0');
uart_putchar('1');
uart_putchar('8');
uart_putchar(' ');
/* 写字符串 */
uart_putstring("Hello RT-Thread! ");
while(1)
{
/* 读数据 */
uart_rx_data = uart_getchar();
/* 错位 */
uart_rx_data = uart_rx_data +1;
/* 输出 */
uart_putchar(uart_rx_data);
}
}
int main(void)
{
rt_thread_t tid;
/* 创建 test 线程 */
tid = rt_thread_create("test",
test_thread_entry,
RT_NULL,
1024,
2,
10);
/* 创建成功则启动线程 */
if(tid != RT_NULL)
rt_thread_startup(tid);
return0;
}
这段程序实现了如下功能：
编译、将代码下载到板卡，复位，串口 2 连接的终端软件 putty（软件参数配置为 115200-8-1-N、无流控）输出了字符 2、0、1、8 和字符串 Hello RT-Thread!。输入字符 ‘A’，串口 2 接收到将其错位后输出。实验现象如图所示：
图中 putty 连接开发板的串口 2 作为测试串口。
串口通常被配置为接收中断和轮询发送模式。在中断模式下，CPU 不需要一直查询等待串口相关标志寄存器，串口接收到数据后触发中断，我们在中断服务程序进行数据处理，效率较高。RT-Thread 官方 bsp 默认便是这种模式。
uart_open 函数用于打开指定的串口，它完成了串口设备回调函数设置、串口设备的开启和事件的初始化。源码如下：
rt_err_t uart_open(constchar*name)
{
rt_err_t res;
/* 查找系统中的串口设备 */
uart_device = rt_device_find(name);
/* 查找到设备后将其打开 */
if(uart_device != RT_NULL)
{
res = rt_device_set_rx_indicate(uart_device, uart_intput);
/* 检查返回值 */
if(res != RT_EOK)
{
rt_kprintf("set %s rx indicate error.%d ",name,res);
return-RT_ERROR;
}
/* 打开设备，以可读写、中断方式 */
res = rt_device_open(uart_device, RT_DEVICE_OFLAG_RDWR |
RT_DEVICE_FLAG_INT_RX );
/* 检查返回值 */
if(res != RT_EOK)
{
rt_kprintf("open %s device error.%d ",name,res);
return-RT_ERROR;
}
}
else
{
rt_kprintf("can't find %s device. ",name);
return-RT_ERROR;
}
/* 初始化事件对象 */
rt_event_init(&event,"event", RT_IPC_FLAG_FIFO);
return RT_EOK;
}
简要流程如下：
uart_open 函数使用到的设备操作接口有：rt_device_find、rt_device_set_rx_indicate、rt_device_open。uart_open 函数首先调用 rt_device_find 根据串口名字获得串口句柄，保存在静态全局变量 uart_device 中，后面关于串口的操作都是基于这个串口句柄。这里的名字是在 drv_usart.c 中调用注册函数 rt_hw_serial_register 决定的，该函数将串口硬件驱动和 RT-Thread 设备管理框架联系起来了。
/* register UART2 device */
rt_hw_serial_register(&serial2,
"uart2",
RT_DEVICE_FLAG_RDWR | RT_DEVICE_FLAG_INT_RX,
uart);
接着调用 rt_device_set_rx_indicate 设置串口接收中断的回调函数。最后调用 rt_device_open 以可读写、中断接收方式打开串口。它的第二个参数为标志，与上面提到的注册函数 rt_hw_serial_register 保持一致即可。
rt_device_open(uart_device, RT_DEVICE_OFLAG_RDWR | RT_DEVICE_FLAG_INT_RX);
最后调用 rt_event_init 初始化事件。RT-Thread 中默认开启了自动初始化机制，因此用户不需要在应用程序中手动调用串口的初始化函数（drv_usart.c 中的 INIT_BOARD_EXPORT 实现了自动初始化）。用户实现的由宏 RT_USING_UARTx 选定的串口硬件驱动将自动关联到 RT-Thread 中来（drv_usart.c 中的 rt_hw_serial_register 实现了串口硬件注册）。
uart_putchar 函数用于发送 1 字节数据。uart_putchar 函数实际上调用的是 rt_device_write 来发送一个字节，并采取了防出错处理，即检查返回值，失败则重新发送，并限定了超时。源码如下：
void uart_putchar(constrt_uint8_t c)
{
rt_size_t len =0;
rt_uint32_t timeout =0;
do
{
len = rt_device_write(uart_device,0,&c,1);
timeout++;
}
while(len !=1&& timeout <500);
}
调用 uart_putchar 发生的数据流向示意图如下：
应用程序调用 uart_putchar 时，实际调用关系为：rt_device_write ==> rt_serial_write ==> drv_putc，最终数据通过串口数据寄存器发送出去。
uart_getchar 函数用于接收数据，uart_getchar 函数的实现采用了串口接收中断回调机制和事件用于异步通信，它具有阻塞特性。相关源码如下：
/* 串口接收事件标志 */
#define UART_RX_EVENT (1<<0)
/* 事件控制块 */
staticstruct rt_event event;
/* 设备句柄 */
staticrt_device_t uart_device = RT_NULL;
/* 回调函数 */
staticrt_err_t uart_intput(rt_device_t dev,rt_size_t size)
{
/* 发送事件 */
rt_event_send(&event, UART_RX_EVENT);
return RT_EOK;
}
rt_uint8_t uart_getchar(void)
{
rt_uint32_t e;
rt_uint8_t ch;
/* 读取 1 字节数据 */
while(rt_device_read(uart_device,0,&ch,1)!=1)
{
/* 接收事件 */
rt_event_recv(&event, UART_RX_EVENT,RT_EVENT_FLAG_AND |
RT_EVENT_FLAG_CLEAR,RT_WAITING_FOREVER,&e);
}
return ch;
}
uart_getchar 函数内部有一个 while() 循环，先调用 rt_device_read 去读取一字节数据，没有读到则调用 rt_event_recv 等待事件标志，挂起调用线程；串口接收到一字节数据后产生中断，调用回调函数 uart_intput，回调函数里面调用了 rt_event_send 发送事件标志以唤醒等待该 event 事件的线程。调用 uart_getchar 函数发生的数据流向示意图如下：
应用程序调用 uart_getchar 时，实际调用关系为：rt_device_read ==> rt_serial_read ==> drv_getc，最终从串口数据寄存器读取到数据。
RT-Thread 自动初始化功能依次调用 hw_usart_init ==> rt_hw_serial_register ==> rt_device_register 完成了串口硬件初始化，从而将设备操作接口和串口驱动联系起来，我们就可以使用设备操作接口来对串口进行操作。
更多关于 I/O 设备管理框架的说明和串口驱动实现细节，请参考《RT-Thread 编程手册》第 6 章I/O 设备管理
在线查看地址：链接
注意： app_uart.h 文件不属于 RT-Thread。
| API | 头文件 |
|---|---|
| uart_open | app_uart.h |
| uart_getchar | app_uart.h |
| uart_putchar | app_uart.h |
| rt_event_send | `rt-threadinclude |
| tthread.h` | |
| rt_event_recv | `rt-threadinclude |
| tthread.h` | |
| rt_device_find | `rt-threadinclude |
| tthread.h` | |
| rt_device_set_rx_indicate | `rt-threadinclude |
| tthread.h` | |
| rt_device_open | `rt-threadinclude |
| tthread.h` | |
| rt_device_write | `rt-threadinclude |
| tthread.h` | |
| rt_device_read | `rt-threadinclude |
| tthread.h` |
函数原型
rt_err_t rt_device_open (rt_device_t dev,rt_uint16_t oflag)
函数参数
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| dev | 设备句柄 |
| oflag | 访问模式 |
函数返回
| 返回值 | 描述 |
|---|---|
| RT_EOK | 正常 |
| -RT_EBUSY | 如果设备注册时指定的参数中包括 RT_DEVICE_FLAG_STANDALONE，此设备将不允许重复打开 |
此函数可根据设备句柄来打开设备。
oflag 支持以下参数：
RT_DEVICE_OFLAG_CLOSE /* 设备已经关闭（内部使用）*/
RT_DEVICE_OFLAG_RDONLY /* 以只读方式打开设备 */
RT_DEVICE_OFLAG_WRONLY /* 以只写方式打开设备 */
RT_DEVICE_OFLAG_RDWR /* 以读写方式打开设备 */
RT_DEVICE_OFLAG_OPEN /* 设备已经打开（内部使用）*/
RT_DEVICE_FLAG_STREAM /* 设备以流模式打开 */
RT_DEVICE_FLAG_INT_RX /* 设备以中断接收模式打开 */
RT_DEVICE_FLAG_DMA_RX /* 设备以 DMA 接收模式打开 */
RT_DEVICE_FLAG_INT_TX /* 设备以中断发送模式打开 */
RT_DEVICE_FLAG_DMA_TX /* 设备以 DMA 发送模式打开 */
注意事项
如果上层应用程序需要设置设备的接收回调函数，则必须以 INT_RX 或者 DMA_RX的方式打开设备，否则不会回调函数。
函数原型
rt_device_t rt_device_find(constchar*name)
函数参数
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| name | 设备名称 |
函数返回
查找到对应设备将返回相应的设备句柄；否则返回 RT_NULL
此函数根据指定的设备名称查找设备。
函数原型
rt_err_t rt_device_set_rx_indicate(rt_device_t dev,
rt_err_t(*rx_ind)(rt_device_t dev,rt_size_t size))
函数参数
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| dev | 设备句柄 |
| rx_ind | 接收中断回调函数 |
函数返回
| 返回值 | 描述 |
|---|---|
| RT_EOK | 成功 |
此函数可设置一个回调函数，当硬件设备收到数据时回调以通知应用程序有数据到达。
当硬件设备接收到数据时，会回调这个函数并把收到的数据长度放在 size 参数中传递给上层应用。上层应用线程应在收到指示后，立刻从设备中读取数据。
函数原型
rt_size_t rt_device_read (rt_device_t dev,
rt_off_t pos,
void*buffer,
rt_size_t size)
函数参数
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| dev | 设备句柄 |
| pos | 读取数据偏移量 |
| buffer | 内存缓冲区指针，读取的数据将会被保存在缓冲区中 |
| size | 读取数据的大小 |
函数返回
返回读到数据的实际大小（如果是字符设备，返回大小以字节为单位；如果是块设备，返回的大小以块为单位）；如果返回 0，则需要读取当前线程的 errno 来判断错误状态。
此函数可从设备中读取数据
调用这个函数，会从设备 dev 中获得数据，并存放在 buffer 缓冲区中。这个缓冲区的最大长度是 size。pos 根据不同的设备类别存在不同的意义。
函数原型
rt_size_t rt_device_write(rt_device_t dev,
rt_off_t pos,
constvoid*buffer,
rt_size_t size)
函数参数
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| dev | 设备句柄 |
| pos | 写入数据偏移量 |
| buffer | 内存缓冲区指针，放置要写入的数据 |
| size | 写入数据的大小 |
函数返回
返回写入数据的实际大小 (如果是字符设备，返回大小以字节为单位；如果是块设备，返回的大小以块为单位)；如果返回 0，则需要读取当前线程的 errno 来判断错误状态。注：调用这个函数，会把缓冲区 buffer 中的数据写入到设备 dev 中。写入数据的最大长度是size。pos 根据不同的设备类别存在不同的意义。
此函数可向设备中写入数据。
原作者：RT-Thread应用笔记
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